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Mittwoch, 07.12.2016
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Fehlerfreies Graphen für die Elektronik

Neue Methode bringt Graphenschichten direkt auf Siliziumträger auf

Jetzt auch auf Silizium: Das Nanomaterial Graphen lässt sich dank einer neuen Methode auch direkt auf Siliziumträger aufbringen. Diese Technik könnte dem erhofften "Wundermaterial" endlich zum Durchbruch in der Mikroelektronik verhelfen, schreiben Wissenschaftler im Magazin "Applied Physics Letters". Denn bisher war die Produktion ausreichend großer und vor allem fehlerfreier Flächen von Graphen auf solchen Trägern extrem schwierig.
Das folienartige Nanomaterial Graphen besteht aus zweidimensionalen Kohlenstoffkristallen.

Das folienartige Nanomaterial Graphen besteht aus zweidimensionalen Kohlenstoffkristallen.

Graphen gilt als große Hoffnung für die Mikroelektronik: Das Wundermaterial aus zweidimensionalen Kohlenstoffkristallen hat eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit. Gleichzeitig ist es transparent, leicht, flexibel und unglaublich stabil. Daher lassen sich daraus zum Beispiel biegsame Displays oder Nano-Glühlampen herstellen.

Graphen-Durchbruch ist bisher ausgeblieben


Die Produktion von Graphen im Labor ist ebenfalls erstaunlich einfach: Mit etwas Geduld kann man mit simplem Klebeband Graphenplättchen von einem Stück Graphit ablösen. Für den industriellen Einsatz ist dieses Verfahren jedoch nicht geeignet. In größeren Mengen erhält man Graphen, wenn man Graphit unter den richtigen Bedingungen im Mixer zu Graphenflocken verarbeitet.

Doch diese Flocken des Nanomaterials sind für viele Zwecke zu klein: "Um Graphen in fortgeschrittene Silizium-Mikroelektronik zu integrieren, müssen größere Flächen von Graphen ohne Falten, Risse oder Verunreinigungen auf Siliziumträgern aufgebracht werden", erklärt Jihyun Kim von der Korea University in Seoul. Da das schwierig ist, ist der große Durchbruch des Graphens in der Mikroelektronik bisher ausgeblieben.


Bei der Kohlenstoff-Ionenimplantation wächst eine Graphenschicht direkt auf dem Siliziumträger.

Bei der Kohlenstoff-Ionenimplantation wächst eine Graphenschicht direkt auf dem Siliziumträger.

Neue Methode mit etablierter Technik


Größere Graphenflächen lassen sich zwar durch Dampfabscheidung produzieren – dazu ist jedoch eine Unterlage aus Kupfer oder Nickel nötig. Der erhaltene Graphenfilm muss dann aufwändig und unter hohen Temperaturen auf das Silizium übertragen werden. Doch dabei knickt und bricht das Material leicht.

Kim und Kollegen haben nun eine Methode entwickelt, die dieses Problem lösen soll. Die Wissenschaftler verwenden dazu eine etablierte Technik, die Ionenimplantation: Damit werden normalweise gezielt "Verunreinigungen" in Halbleiter eingebracht, um deren Eigenschaften zu manipulieren. In ähnlicher Weise beschießen die Forscher nun eine geschichtete Unterlage aus Silizium, Siliziumdioxid und Nickel mit in einem elektrischen Feld beschleunigten Kohlenstoff-Ionen.

Großes Potenzial für direkte Graphen-Synthese


Das Nickel dient dabei als Katalysator für die Graphen-Synthese: Auf beiden Seiten der Nickel-Schicht wächst eine Lage Graphen heran. Wird der Träger bei 900 Grad Celsius gewissermaßen ausgebacken, so entsteht das typische Sechseck-Gitter des Graphens – ohne Falten und sonstige Fehler. Das Nickel lässt sich ablösen, und auf dem Silizium bleibt die gewünschte Graphenschicht zurück. Mit dieser Methode lassen sich typische Silizium-Wafer mit einem Durchmesser von etwa zehn Zentimetern vollständig beschichten.

"Unsere Arbeit zeigt, dass die Kohlenstoff-Ionenimplantation großes Potenzial für die direkte Synthese von Graphen im Wafer-Maßstab hat", sagt Kim. Die bisher relativ hohe benötigte Temperatur wollen die Forscher nach Möglichkeit weiter absenken. Dazu optimieren sie das Verfahren noch weiter: Mit verschiedenen Gasen in der Umgebung, unterschiedlichem Druck sowie entsprechender Betriebstemperatur und -Zeit lässt sich die Dicke der erhaltenen Graphenschicht kontrollieren. (Applied Physics Letters, 2015; doi: 10.1063/1.4926605)
(American Institute of Physics (AIP), 23.07.2015 - AKR)
 
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